光伏电站设计工作随笔之一：光伏方阵的设计

光伏电站设计工作随笔之一：光伏方阵的设计前言： 做 光伏电站 设计工作多年， 我的一个体会是： 很多业主对光伏电站的设计工作非常不重视。他们认为，相对于火电站、水电站，甚至于相对于风电场，光伏电站的设计太简单，尤其是场区部分 （除升压变电站以外） ， 几乎没有什么技术含量。 有的业主甚至跟我说过 “ 你们不就是把以前的图纸 copy 一下换个图签吗， 根本布置那么多设计费！ ” 我承认，图纸的使用有延续性，但绝对不是简单的 Ctrl+C 和 Ctrl+V 那么简单！每一个设计细节，我们都是用心的！只不过，你们看到的是结果，没看到中间复杂的演算过程。所以，我想用一个系列告诉大家， 每个设计细节都是设计者用心之作， 设计上的一个小小改进， 可能让你的电站施工费用降低，后期运维更方便，发电收入提高！从几个小细节说一下我自己设计思路的变化。先从看似最简单的光伏方阵设计开始吧。光伏方阵（ solar cell array ）：由若干个光伏组件在机械和电气上按一定方式组装在一起并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元， 地基、 太阳跟踪器、 温度控制器等类似的部件不包括在方阵中。下面几张图是我不同时期的，针对平坦地势（非丘陵、山地）光伏方阵设计图纸。图 1：长 31.596m ×宽 4.028m=127.3m2 （ 16 串 4 并）图 2：长 33.38m ×宽 3.016m=100.7m2 （ 20 串 3 并）图 3：长 20.22m ×宽 3.32m=67.1m2 （ 20 串 2 并）图 4：长 22.244m ×宽 3.32m=73.9m2 （ 22 串 2 并）图 5：长 18.35m ×宽 4.028m=73.9m2 （ 22 串 2 并）图 1（ 我做的第一张图纸， 可以当作反面教材） 采用 72片的光伏组件 （尺寸： 1956mm × 992mm） ，每个方阵上 16 串 4 并共 64 块组件 （为什么这个设计我自己也不清楚， 完全是照猫画虎， 看已建成的电站这么设计，也就这么设计了）。2008 年底的时候，设计规范还没出来。为了弄清串联方案问题，我请教了吴达成老师和王斯成老师， 又到国家图书馆和网上查阅了大量的资料， 最后终于弄明白， 串并联设计方案是用几个关键参数计算出来的： 1）当地的极端低温和极端高温； 2）光伏组件的开路电价和最佳工作电压； 3） 逆变器 的的最大开路电压和 MPPT 电压。回头算一下，果然应该是 16串。弄清楚这个，自己还小得意了一下。图 1 方案缺点： 72 片的组件尺寸大，搬运不方便；每个方阵设计成 4 并，加上离地高度，总高度大约有 3m，安装起来特别麻烦。图 2 的改进措施： 1）采用尺寸相对小的 60 片的光伏组件（尺寸： 1650mm × 992mm）。 2）60 片的电压相对较低，计算结果为应采用 20 个组件串联的方式。 3）每个方阵减少 1 个并联支路，采用 20 串 3 并的方案，以方案安装。图 2 方案的缺点：阵列的长度太长，有 33m。即使是非常平坦的戈壁， 33m 的长支架两端高差也会很大，无法靠基础高差来矫正，所以场平的工作量非常大。图 3 的改进措施：采用 20 串 2 并的方案，并且将光伏组件竖向布置。这样一来： 1）单个方阵长度变短，高差可用基础矫正，几乎不用做场平； 2）宽度方向只有 2 块，安装非常方便，速度快。因此，这种方案也是后来被使用最广泛的设计方案。图 3 的缺点：每个方阵变小了， 方阵的数量就增加了。由于阵列之间都是要留有间距的，所以每个 1MW 单元的占地就增加了。图 4 的改进措施： 随着 逆变器 的技术进步， 主流逆变器的最大开路电压提高到 1000V。 这样，每个组串就可以变成 22 个组件，每个方阵变成 44 块组件。 1）每个支路电压升高，线损降低； 2）支路数量减少，汇流箱数量减少； 3）方阵数量减少 10%，相应的费用会降低。图 4 的缺点：很多业主反应，早晨、傍晚的时候，下沿发生阴影遮挡时几乎没有发电量。图 5 的改进措施：将竖向布置改为横向布置。 一次评审会上， 上海院的郭家宝老师提出，组件还是要横向布置。 根据郭老师的讲解， 我回来又查阅了一些资料，弄清问题的关键： 为了避免热斑效应， 光伏 组件有 3 路旁路二极管，如下图所示。如果挡住短边的下沿（竖向布置），则电池内的 3 个支路都被挡住，发电都会大幅降低；如果挡住长边的下沿（横向布置），只有 1 个支路受影响，其他 2 个支路还可以正常输出。设计时的阵列间距只考虑冬至日 6 小时不遮挡， 其实是牺牲了早晚的发电量。 相对于竖向布置，横向布置能提高早晚的发电量，提高经济效益。除了早晚的阴影遮挡，还有两种情况： 1）清洗时，水渍往往都在下沿积累一层污垢； 2）下雪时， 雪顺着组件滑落， 也会在下沿积上一层。这两种情况下，横向布置时的发电量会相对较高。图 5 的方案虽然会增加安装难度， 但组件安装成本占总投资比例极低， 且项目收益对投资的敏感性低。 由于光伏项目的上网电价为 0.9~1 元 /kWh ， 项目收益对发电量的变化最敏感， 发电量的提高能明显提高项目收益。 因此， 透过前期增加少量投资来获得长期的发电量收益是值得的。